Wärmespeicher

Fallen Wärmeerzeugung und Wärmenutzung zu unterschiedlichen Zeitpunkten an ist der Einsatz von Wärmespeichern notwendig.

Allgemeine Informationen zu Wärmespeichern

Für die betriebliche Nutzung von Abwärme ist meist nur eine kurze Speicherzeit von wenigen Stunden oder Tagen notwendig. Für die Nutzung der Wärme zum Heizen kann jedoch auch eine Speicherung über Wochen oder gar Monate sinnvoll sein. Allgemein hängt die Speicherkapazität eines Wärmespeichers von der Größe, den Be- und Entladezeiten und den Wärmeverlusten ab. Wärmeverluste entstehen durch die Abgabe von Wärme an die kühlere Umgebung und sind von der eingesetzten Wärmedämmung, der Temperaturdifferenz zwischen Speicher und Umgebung sowie der Oberfläche des Speichers abhängig. Aus diesem Grund sind eine sehr gute Wärmedämmung sowie ein günstiges Oberflächen-Volumen-Verhältnis entscheidend. Die Effizienz wird darüber hinaus auch von der Speicherdauer, der Größe und der Anzahl der Nutzungszyklen bestimmt. Grundsätzlich können drei Arten von Wärmespeicher unterschieden werden. Sensible Speicher zeichnen sich durch eine Änderung der fühlbaren Temperatur beim Be- und Entladen aus, wobei die Speicherkapazität von der Wärmekapazität und der Größe des Speichers sowie von der nutzbaren Temperaturdifferenz abhängig ist. Bei Latentwär-mespeichern wird zur Speicherung der der Aggregatszustand des Speichermediums geändert, womit die Speicherkapazität von der zur Zustandsänderung notwendigen Energie abhängt. Bei thermochemischen Speichern hängt die Speicherkapazität von den endo- und exothermen Reaktionen des Speichermediums ab. Im Folgenden werden verschiedene Speichertechnologien vorgestellt.

Praxisbeispiele zu Wärmespeichern bei der Wärmenutzung aus Abwärme

Hier können Sie sich Praxisbeispiele zu Wärmespeichern bei der Wärmenutzung aus Abwärme in der dena Referenzprojekte-Datenbank ansehen:

  1. Dampfreduzierung durch Wärmerückgewinnung bei der Metsä Tissue GmbH
  2. Energieoptimierung im Sudhaus bei der Brauerei C. & A. Veltins
  3. Wärmerückgewinnung aus Rauchgasen und Backschwaden bei der Bäckerei Riegler

Pufferspeicher

Ein kostengünstiger und vielseitig einsetzbarer Wärmespeicher ist der zur Gruppe der sensiblen Speicher gehörende Pufferspeicher, welcher Temperaturen bis 100 °C speichern kann. In einem wärmegedämmten Behälter, in dem sich eine Speicherflüssigkeit (meist Wasser) befindet, wird die Wärme durch die Änderung des Temperaturniveaus gespeichert. Dabei kann mithilfe von Wärmeübertragern die Vermischung von be- und entladenden Flüssigkeiten verhindert werden. Sollen verschiedene Abwärmeströme gespeichert werden kommen Schichtenspeicher mit mehreren Zu und Abflüssen zum Einsatz, die eine Vermischung der Temperaturniveaus verhindern. Für die kurzeitige Speicherung kommen Pufferspeicher mit einer Größe bis zu 100 l zum Einsatz. Die langfristige Speicherung, um z.B. den Heizwärmebedarf im Winter zu decken, erfordert große Speicher, die mit einer aufwendigen Wärmedämmung und einem günstigen Oberflächen-Volumen-Verhältnis ausgestattet sind. Die bisher maximale Größe wird mit 8.000 m³ angegeben. Neben der Wärmespeicherung können Pufferspeicher auch zur Speicherung von Kälte eingesetzt werden. Die Kosten liegen zwischen 0,5 und 7 € je kWh bei einer Energiedichte von 90 kWh je m³.

Weitere Groß-/ Langzeitspeicher

Zur Speicherung großer Wärmemengen über einen langen Zeitraum, um beispielsweise saisonale Schwankungen im Heizwärmebedarf auszugleichen stehen weitere Technologien zur Verfügung. Das Prinzip ist dabei das Gleich wie bei Pufferspeichern nur das als Speichermedium nicht Wasser sondern je nach Speicherart ein anderes Medium verwendet wird. So wird beim Kies-Wasser-Speicher die Wärme in einer Grube, welche mit einem Kies- Wassergemisch gefüllt ist gespeichert und bei Bedarf wieder entnommen. Aufgrund der schlechteren Wärmeaufnahmefähigkeit des Kieses müssen diese Speicher größer angelegt werden als wasserbasierte Pufferspeicher.  Bei Schotterspeichern wird eine Gesteinsschüttung als Speichermaterial genutzt, welche wechselweise mit Luft durchströmt wird und dabei Wärme aufnimmt oder abgibt. Diese Speicher werden z.B. tagsüber mit warmer Abluft erwärmt und geben dann nachts die diese Wärme an kältere durchströmende Luft wieder ab. Bei Erdsonden-Wärmespeichern lässt sich Wärme im natürlichen Untergrund speichern. Die in Sondenfeldern zusammengefassten Erdsonden bestehen aus Bohrungen, in denen sich U-förmige Kunststoffröhren und Verfüllmaterialien befinden. In den Rohren befindet sich eine Wasser-Glykol-Mischung, welche die Wärme an das Verfüllmaterial und das Erdreich abgibt. Die dicht beieinander liegenden Sonden ermöglichen ein hohes Speichervolumen, das umliegende Erdreich dient als Wärmedämmung. Zur Wärmeentnahme wird kühleres Wasser in die Sonden gepumpt, welches die Wärme wieder aufnimmt. Die wirtschaftliche Nutzung ist allerdings erst ab großen Speichervolumen ab 50.000 m³ gegeben.

Latentwärmespeicher

Für Latentwärmespeicher kommen spezielle Phasenwechselmaterialen zum Einsatz, meist Salze oder Paraffine. Die auf diese Materialen übertragene Wärme verursacht keine Temperaturänderung sondern die Änderung des Aggregatszustands. Die Energie wird dabei in der Regel durch einen Wechsel des Aggregatszustands von fest zu flüssig aufgenommen. Zur Aufladung des Speichers wird Wärme oberhalb der Phasenwechseltemperatur durch einen im Wärmespeicher integrierten Wärmeübertrager zugeführt. Die Wärme im Speicher bleibt dabei bis zur vollständigen Umwandlung von fest zu flüssig weitgehend kon-stant. Beim entladen wird Wärme die leicht unter der Phasenwechseltemperatur liegt wieder abgegeben. Durch die geringen Temperaturänderungen lassen sich große Wärmemengen und damit hohe Leistungsdichten speichern. Außerdem kann die Wärmeabgabe unabhängig von schwankenden Beladungstemperaturen bei relativ konstanten Temperaturen erfolgen. Durch die Wahl des Speichermediums kann eine speziell auf den Einzelfall abgestimmte Speicherung erfolgen, wobei derzeit 50 verschiedene Latentwärmespeicher mit Temperaturbereichen von -30 bis 1.000 °C zur Verfügung stehen. Für kleinere Anwendung ist die Latentwärmespeicherung bereits im Einsatz und wirtschaftlich nutzbar. Für größere Maßstäbe besteht noch Forschungsbedarf. Als Schwachpunkt wird die Wechselbeständigkeit des Phasenwechselmaterials angesehen, was dazu führt, dass bei Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen der notwendige Austausch des Speichermediums nach einer begrenzten Anzahl von Be- und Entladevorgängen berücksichtigt werden muss.

Thermochemische Speicher

Bei thermochemischen Speichern wird Energie in Form einer reversiblen Reaktion gespeichert, was eine 4-5-mal höhere Energiespeicherdichte und das Ausbleiben von Wärmeverlusten zur Folge hat. Diese Speicher sind noch in der Entwicklung und derzeit nicht am Markt verfügbar. Dabei kann zwischen Adsorptions- und Absorptionsspeichern unterschieden werden. Die Kosten für diese Verfahren sind derzeit aufgrund der hohen Kosten für die Sorptionsmedien und des noch nicht ausgereizten Entwicklungspotenzials  sehr hoch einzuschätzen. Für einen wirtschaftlichen Betrieb ist der Einsatz mit vielen Be- und Entladezyklen notwendig, um die hohen Investitionskosten auf viele Speicherzyklen umlegen zu können.